廈門大學周偉教授團隊：集成余熱回收的在線式自熱型甲醇重整制氫系統性能研究 | CJME論文推薦

引用論文

Yuchen Zhong, Weilong Lin, Kun Dong, Xiaomeng Chen, Yuzhi Ke, Wei Zhou,Performance Prediction of a Compact On-Site Autothermal Methanol Reforming Hydrogen Production System with Integrated Waste Heat Recovery,

Chinese Journal of Mechanical Engineering,2026,100213,https://doi.org/10.1016/j.cjme.2026.100213.

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研究背景及目的

甲醇作為理想液態氫載體，其在線重整技術是構建分布式氫能體系的關鍵。自熱式重整系統通過燃燒與反應的內部耦合實現能量自維持，但其高效運行面臨廢熱精準管理的核心挑戰。現有系統存在三方面突出問題：催化燃燒產生的高品位熱能未能有效回收，導致系統能效低下與制氫成本攀升；熱管理失衡制約重整反應深度，降低甲醇轉化率與產氫量，并推高CO選擇性而影響氫氣品質；粗放的熱利用模式造成顯著?損，既降低能源品位利用率，又因額外燃料消耗加劇碳排放。為此，本研究開展自熱式甲醇重整系統內部廢熱回收研究，通過構建穩態仿真模型，評估不同熱集成方案對產氫性能、熱力學效率及經濟性的影響規律，以確立最優操作參數與熱回收架構，為高效低碳的現場制氫系統開發提供關鍵技術支撐。

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試驗方法

本研究基于 Aspen Plus V11.0 構建自熱式甲醇重整制氫系統的穩態流程模型，并利用原型系統實驗數據對模型進行驗證。在此基礎上，規劃了六種熱集成策略（I-VI），通過重構換熱網絡與物流分配，實現催化燃燒尾氣與高溫純氫顯熱的梯級回收利用，目標覆蓋進料預蒸發、重整反應供熱及二者協同。研究系統考察了水/甲醇摩爾比（1.1-1.5）和空氣/甲醇–水混合物摩爾比（1.2-1.4）等關鍵參數，通過求解系統質量與能量平衡，建立了涵蓋甲醇轉化率、產氫速率、CO選擇性、能量/?效率及單位產氫CO?排放量的多維評估體系，為系統優化與工程應用提供了理論依據和數據支撐。

圖1 具有余熱回收功能的自熱型甲醇重整制氫系統

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結果

本研究提出了一種集成余熱回收的緊湊型自熱式甲醇重整制氫系統，系統探究了運行參數與熱回收策略對制氫性能的影響規律。研究結果表明：以W/M=1.4、A/M=1.4為最優工況，采用策略VI（催化燃燒尾氣用于原料預蒸發，純氫余熱用于重整反應供熱）時，系統可實現97.3%的甲醇轉化率和11.3 L/min的產氫速率，系統能量效率與?效率分別達到73.5%和67.3%，單位產氫的二氧化碳排放量降至8.18 kg。該策略通過系統內部熱量的合理分配與梯級利用，實現了熱量品位與用熱需求的更優匹配。經濟性分析表明，盡管該策略初始投資較高，但制氫成本可降至2.472 USD/kg H?，預計投資回收期為8年，展現出良好的技術經濟性。該系統為開發高效、低碳的分布式氫能裝備提供了可靠的技術方案。

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結論

本研究構建的集成余熱回收自熱式甲醇重整制氫系統，是一種高效的在線式氫能制備新方法。通過采用策略VI（催化燃燒尾氣用于原料預蒸發、純氫余熱用于重整反應供熱），實現了系統內部能量的梯級利用與熱力學品位匹配，有效提升了制氫效率并降低了碳排放強度。研究闡明了操作參數與熱回收策略的協同作用機制，揭示了甲醇水摩爾比與空氣燃料摩爾比對系統性能的調控規律，確立了最優熱管理方案，為發展高效緊湊型甲醇制氫系統提供了重要的理論支撐和技術途徑。

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前景與應用

本研究工作為在線自熱式甲醇重整制氫系統的能效提升與集成優化提供了重要的理論基礎和技術方案，為實現在線式制氫裝備制氫產率提升、碳排放強度降低及系統能效優化提供了關鍵的技術路徑。

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[1] Salem O. H., Hassan H. A comprehensive review on mainly hydrogen production based on waste heat recovery for single and multigeneration energy systems. Applied Energy, 2026, 402(Part B): 126991.[2] Rostami S. M. R., Al-Shibaany Z., Kay P., Karimi H. R. Deep reinforcement learning and fuzzy logic controller codesign for energy management of hydrogen fuel cell powered electric vehicles. Scientific Reports, 2024, 14: 30917

關于作者

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作者介紹

周偉教授，廈門大學薩本棟微米納米科學技術研究院副院長、國家杰青、國家重點研發計劃首席科學家，團隊學術帶頭人，長期從事于功能微結構精密制造技術、氫燃料電池、智能傳感等領域的研究工作，主持國家杰青、優青等項目50余項，獲教育部技術發明二等獎（排名第一），福建省科技進步一等獎。

所帶領的廈門大學功能微結構精密加工研究團隊長期致力于精密制造技術、功能微結構制造、新能源與節能技術、智能傳感器領域的研究工作。團隊瞄準新能源、智能傳感領域對微結構制造的亟迫需求，圍繞三維多孔微結構、有序化微結構等，重點開展了微結構加工機理、形性調控與精密制造研究及在新能源裝備、智能傳感器等高端裝備與器件的推廣應用工作。近年來，團隊主持/牽頭了國家杰出青年科學基金、國家重點研發計劃項目、福建省科技重大專項等50余項項目；在以Nat. Commun.、INT J MACH TOOL等為代表的國內外權威期刊上累積發表論文200余篇；獲得2020年度教育部技術發明二等獎，2020年度福建省科技進步一等獎，2020年度廈門市科技進步一等獎。

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近年團隊代表性文章

[1] Xu, Wenjun, et al. "Adaptative two-phase thermal circulation system for complex-shaped electronic device cooling." Nature Communications 16 (2025): 1713.

[2] Chen, Rui, et al. "Model-driven 3D laser focus shifting for precision fabrication of microstructures in transparent flexible polymers." International Journal of Machine Tools and Manufacture (2025): 104310.

[3] Li, Xinying, et al. "Fabrication of super hydrophilic surface on FeCrAl-WM with ridged microstructure for Joule-heating catalyst support by UV-laser microprocessing." Journal of Manufacturing Processes 109 (2024): 447–459.

[4] Gao, Chao, et al. "Enhanced Regenerative Cooling Performance with Conformal TPMS Channels" Energy (2025). 322: 135530.

[5] Chen, Rui, et al. "Nonlinearity synergy: An elegant strategy for realizing high-sensitivity and wide-linear-range pressure sensing." Nature Communications 14 (2023): 6641.

作 者：周 偉

責任編輯：惲海艷

責任校對： 向映姣

審 核：張 彤

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